우리은하 원반은 두껍게 태어나 납작해지기까지 30억 년이 걸렸다

우리은하는 오늘날 우리가 보는 얇고 납작한 원반으로 시작하지 않았다. 태양 주변 별들의 정밀한 나이 측정 결과, 은하의 첫 원반은 두껍고 요동치는 가스와 젊은 별들의 층이었으며, 이후 빠르게 납작해지다가 거의 멈추다시피 한 느린 변화가 지금까지 이어지고 있는 것으로 나타났다.

이번 발견은 천문학자들이 사십 년 동안 논쟁해 온 질문에 답을 준다. 우리은하 두꺼운 원반의 늙은 별들이 은하 평면 위 높은 곳에서 태어났는지, 아니면 평평한 곳에서 태어나 나중에 나선팔, 가스 구름, 은하 막대에 의해 위로 차올랐는지 하는 문제다. 새로운 측정 결과는 적어도 은하의 초기 단계에 대해서는 첫 번째 답을 가리킨다.

이 결과는 테네리페에 있는 카나리아 천체물리학 연구소(IAC)의 프로젝트인 크로노갈(ChronoGal)이 얻었다. 이 프로젝트는 유럽우주국(ESA)의 가이아(Gaia) 위성 데이터를 별의 나이로 변환한다. 논문의 제1저자인 IAC 박사 과정 연구원 다비드 미라발(David Mirabal)은 이번 결과를 “은하 초기 단계에 대한 두 모델 중 하나를 지지하는 최초의 명확한 관측 증거”라고 평가했다.

두 단계는 확연히 다르다. 첫 단계에서는 원반 별들의 은하 평면 위 평균 높이가 약 20억 년에 걸쳐 4,100광년 이상에서 약 1,600광년으로 떨어졌다. 약 108억 5천만 년 전의 전환점 이후로는 얇아지는 속도가 약 50분의 1로 줄었고, 현재 가장 새로운 별들은 약 400광년 두께의 층에서 형성되고 있다.

가이아의 별 나이 측정이 40년 논쟁을 측정으로 바꾸다

가이아는 10억 개 이상의 별들의 위치, 운동, 밝기를 측정했지만, 그중 어떤 별에도 나이를 새겨 넣지는 않는다. 크로노갈은 통계적으로 나이를 얻는다. 연구팀은 각 별이 얼마나 밝고 얼마나 푸르거나 붉은지를 보여주는 색-등급 도표를 만들고, 항성 진화 모델에서 나온 알려진 나이와 화학 조성을 가진 합성 별들로 이를 맞춘다. 가장 잘 맞는 조합은 각 나이와 금속 함량에서 얼마나 많은 별이 형성되었는지를 알려준다.

이 방법은 나이 정밀도가 5%보다 좋아, 100억 년보다 오래된 별들에도 약 5억 년의 오차만을 허용한다. 이 정밀도가 핵심이다. 이전 연구들은 나이를 대신해 화학적 특성으로 별들을 분류했는데, 이 경우 나이가 매우 다른 별들이 섞여 초기의 빠른 변화를 흐릿하게 만들었다. 이번 연구팀이 찾고자 했던 바로 그 변화다.

연구진은 태양을 중심으로 한 두 개의 원통에서 작업했다. 하나는 반지름 약 815광년으로 차갑고 평평한 궤도를 도는 별들을 위한 것이고, 다른 하나는 반지름 약 2,450광년으로 더 뜨겁고 기울어진 궤도를 도는 별들을 위한 것이다. 두 원통을 은하 평면 위아래로 약 3,260광년까지 8개의 층으로 나누고, 먼지나 너무 어두워 가이아가 놓친 별들을 보정한 뒤, 나이와 금속 함량이 같은 집단으로 묶었다.

각 집단에 대해 연구진은 규모 높이(scale height)를 측정했다. 이는 별들이 얇아지기 전에 평면 위로 얼마나 퍼져 있는지를 나타내는 표준 척도다. 규모 높이를 나이에 따라 그래프로 그리자 두 개의 직선이 나타났고, 그 사이에 급격한 꺾임이 있었다. 데이터에 모델을 맞춘 결과, 그 꺾임은 약 108억 5천만 년 전, 오차 약 1억 3천만 년으로 나타났다.

두껍게 태어났지, 흔들려서 풀린 것이 아니다

두 가지 아이디어가 경쟁했다. 가열 모델에서는 별들이 항상 얇고 차가운 층에서 태어나, 수십억 년에 걸쳐 가스 구름, 나선팔, 막대와의 만남이 궤도를 부풀린다고 본다. 따라서 늙은 별들이 높이 있는 것은 더 오래 흔들렸기 때문이다. 거꾸로 된(upside-down) 모델에서는 젊은 은하의 가스 자체가 난류로 두꺼웠기 때문에 첫 별들은 높은 곳에서 태어났고, 이후 세대는 더 차분하고 얇은 층에서 형성되었다고 본다.

가열은 느리고 꾸준하다. 약 20억 년 만에 원반 두께의 절반 이상을 잃은 것을 설명하기는 어렵다. 특히 작은 은하들을 여전히 삼키고 있어 뜨거운 상태를 유지했을 젊은 은하에서는 더욱 그렇다. 가이아-소시지-엔셀라두스(Gaia-Sausage-Enceladus)로 알려진 왜소은하와의 마지막 큰 충돌은 약 100억 년 전에 일어났는데, 이는 빠른 단계가 끝난 시점과 거의 일치한다. 저자들은 전체적으로 난류적이고 거꾸로 된 단계가 약 30억 년 동안 지속되었다고 결론 내린다.

비교를 통해 그 규모를 쉽게 느낄 수 있다. 이 연구에서 가장 오래된 집단은 두꺼운 원반의 일반적인 교과서적 규모 높이인 약 2,900광년보다 더 높이 퍼져 있다. 약 46억 년 전에 태어난 태양은 진정 단계에 속하는데, 이때 정착 속도는 약 10억 년당 120광년으로 떨어졌다. 저자들의 표현에 따르면, 부풀어 오른 가장 오래된 별들은 “초기 은하의 조립 단계에 대한 구조적 화석”이다.

이 패턴은 우주론적 시뮬레이션과도 일치한다. FIRE-2 실행을 포함한 우리은하와 유사한 은하 모델들은 별들이 무질서한 궤도에서 태어나는 폭발적이고 혼란스러운 초기 시대를 예측하며, 이후 빠른 붕괴를 거쳐 회전하는 얇은 원반으로 이어진다고 본다. 올해 발표된 별도의 연구에서는 우리은하가 원반으로 회전하기 시작한 시점을 약 120억 년 전으로 추정했는데, 이는 빠른 얇아짐의 시작과 맞아떨어진다.

별의 나이가 해결하지 못한 것들

이 측정은 태양 주변, 즉 태양에서 수천 광년 이내만을 다룬다. 우리은하는 지름이 약 10만 광년이며, 안쪽과 바깥쪽 원반은 서로 다른 속도로 정착했을 수 있다. 안쪽 원반에서 이동해 온 별들, 특히 금속이 비정상적으로 풍부한 별들은 국지적 추세를 따르지 않기 때문에 맞춤에서 제외되었다.

빠른 초기 단계는 몇 개의 데이터 포인트에 의존한다. 오래된 기울기에 대한 불확실성은 크다. 빠른 단계의 정착 속도는 최적 추정치보다 약 45% 낮거나 75% 높을 수 있다. 가장 오래된 두 집단의 경우 연구팀은 규모 높이에 대한 하한만을 설정할 수 있었고, 더 뜨거운 표본의 일부 집단은 수동으로 분리해야 했다. 다만 저자들은 데이터를 균일하게 나누었을 때도 같은 결론이 나온다고 보고한다.

가열 모델도 배제되지 않았다. 진정 단계의 경우, 점진적인 얇아짐은 두 모델 모두와 동등하게 잘 맞는다. 시뮬레이션은 두 과정이 함께 작용하며, 가열이 나이에 따른 규모 높이 상승의 30%~40%를 기여한다고 시사한다. 또한 이 연구의 모든 나이는 항성 진화 모델에 의존하므로, 그 모델에 체계적 오류가 있다면 전체 타임라인이 바뀔 수 있다.

우리은하의 두꺼운 원반과 얇은 원반에 대한 일반적인 질문

우리은하의 두꺼운 원반이란 무엇인가?

나선팔과 대부분의 젊은 별들이 있는 얇은 원반과 겹쳐 있는, 더 부풀고 오래된 별들의 층이다. 그 별들은 일반적으로 약 100억 년보다 오래되었고, 금속이 부족하며, 더 기울어진 궤도를 돈다. 새로운 연구는 그것이 나중에 얇은 원반에서 가열된 것이 아니라, 난류 가스에서 먼저 형성되었음을 시사한다.

천문학자들은 별의 나이를 어떻게 측정하는가?

단일 별의 경우 어렵다. 별의 색과 밝기는 수십억 년에 걸쳐 천천히 변하기 때문이다. 크로노갈은 대규모 별 표본의 색과 밝기를 한 번에 항성 모델에 맞추는데, 이는 전체 집단에 대해 5%보다 나은 정확도, 가장 오래된 별의 경우 약 5억 년의 정확도를 제공한다.

우리은하의 원반은 얼마나 두꺼운가?

별의 나이에 따라 다르다. 가장 새로운 별들은 규모 높이가 약 400광년인 층에서 형성되는 반면, 이 연구에서 가장 오래된 집단은 4,100광년 이상에 이른다. 은하 자체는 지름이 약 10만 광년이므로, 두꺼운 원반조차도 그 폭에 비하면 얇다.

거꾸로 된 형성이란 무엇을 의미하는가?

원반이 위에서 아래로 형성되었음을 의미한다. 첫 번째 별들은 두껍고 난류적인 가스 층에서 태어났고, 이후 각 세대는 더 얇고 차분한 층에서 형성되었다. 반대 아이디어는 모든 별이 얇게 태어나 시간이 지나면서 위로 떠올랐다는 것이다.

다음 단계

이 논문은 2026년 10월 16일 《천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)》에 게재되었고, IAC는 10월 19일에 결과를 발표했다. 크로노갈은 유럽연구위원회(ERC) 어드밴스드 그랜트로 자금을 지원받으며, 이미 같은 가이아 방법을 내부 은하와 가장 오래된 원반 별들에 적용했다.

다음 시험은 2026년 12월 2일, ESA가 5.5년간의 관측 데이터를 담은 가이아 데이터 릴리스 4(Gaia Data Release 4)를 발표할 때다. 더 먼 별들에 대한 더 정확한 거리와 운동은 연구팀이 108억 5천만 년 전의 꺾임이 태양 이웃 너머에서도 나타나는지, 아니면 은하가 다른 곳에서는 다른 시계로 정착했는지 확인하는 데 도움이 될 것이다.

참고문헌: Mirabal et al., “A Two-stage Settling of the Milky Way Disk Revealed by Precise ChronoGal Ages,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb0a3

태그: 천문학, ChronoGal, Gaia, Instituto de Astrofísica de Canarias, 두꺼운 원반, 별의 나이